Das Fahrzeug rast über die unebene Straße, holpert über Steine und kracht in Schlaglöcher, schliddert über Eisflächen. Allerdings nur scheinbar: Denn bislang ist es noch gar nicht produziert. Vielmehr handelt es sich sowohl beim Auto als auch bei der buckeligen Teststrecke um Simulationen. Wie betriebsfest ist das Fahrzeug? Hält das Design, was es verspricht? Solche virtuellen Versuche bieten viele Vorteile: Bereits in einer frühen Entwicklungsphase lassen sich unterschiedliche Varianten eines Fahrzeugs erproben, sei es Auto, LKW oder Traktor, und das Design systematisch optimieren – ohne teure Prototypen.

Realitätsnahe und zugleich schnelle Berechnung

Die Simulation des Fahrzeugs an sich hat man dabei gut im Griff. Eine Herausforderung sind jedoch die Reifen, denn sie verhalten sich komplex und nichtlinear. Entweder ist die Berechnung langwierig, rechenintensiv und lässt sich nicht in das Gesamtmodell einfügen oder sie liefert ungenaue Ergebnisse.

Forscher am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern entwickelten mit »CDTire/3D« ein Simulationswerkzeug, das diesen Spagat meistert. »Mit der Technologie haben wir eine gute Balance gefunden zwischen Rechenzeit und Genauigkeit«, sagt Dr. Manfred Bäcker, Leiter der Reifen- und Fahrzeugsimulation am ITWM. Die Simulation bildet die Realität gut ab und ist gleichzeitig schnell. Vom 13. bis 17. April präsentieren die Forscher die Software auf der Hannover Messe am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand »Simulation« in Halle 7, Stand B10.

Reifen als strukturmechanisches Schalenmodell

Die Wissenschaftler bilden die Eigenschaften des Reifens über ein strukturmechanisches Schalenmodell ab. »Statt ihn als Volumenmodell abzubilden, stellen wir den Reifen als Schale dar – das spart viel Simulationszeit und berücksichtigt dennoch alle Eigenschaften«, erläutert Bäcker.

Zunächst berechnen die Forscher einzelne Schalen für jede funktionale Lage des realen Reifens: eine für jede Stahlgürtellage, eine für die Bandage und so weiter. Diese fassen sie anschließend zu einer einzigen Schale zusammen. Das Besondere: Das Modell berücksichtigt auch die Seitenwand. Bei herkömmlichen Simulationen müssen die Autohersteller die Parameter gänzlich neu anpassen, sobald sich die Reifenbreite in der Simulation ändert oder der Reifendruck variiert.

»Wir haben Geometrie und Materialeigenschaften komplett voneinander getrennt, man kann also die Geometrie des Reifens verändern, ohne das Modell angleichen zu müssen.« Auch die Autohersteller wissen dies zu schätzen: Die Simulation ist bereits weltweit im Einsatz, unter anderem bei Toyota und Daimler.

Temperatur einbeziehen

Zusätzlich zu dieser Simulation beziehen die Wissenschaftler nun auch die Temperatur ein: Denn der Reifen wird beim Fahren verformt bzw. durchgewalkt, und auch die Bremsen geben Hitze ab. In der Folge erwärmt er sich und verändert damit auch seine Eigenschaften. Die Forscher speisen die Ergebnisse aus »CDTire/3D« in das Temperatur modell ein, simulieren anhand dieser Berechnungen, wie sich die Hitze im Reifen ausbreitet und koppeln die Ergebnisse zurück ins Strukturmodell. Das Schweizer Formel1-Team Sauber will das Temperatur-Modell künftig einsetzen, um ihre Rennwagen schneller zu machen.

»Da das System modular aufgebaut ist, können wir das Temperaturmodell an jedes beliebige Simulationstool koppeln«, sagt der Forscher. So lässt es sich auch an das Tool »CDTire/Realtime« anbinden. Diese Software kann etwa beim Auslegen eines Elektronischen Regelsystems wie dem Elektronischen Stabilitäts-Programm, kurz ESP, eingesetzt werden: Bricht der Wagen aus, bremst das ESP einzelne Räder gezielt ab. Dieses Tool läuft – ebenso wie die Temperaturberechnung – in Echtzeit, allerdings bislang nur auf großen Rechnern im Labor. Künftig kann es während der Fahrt im Auto auf dort installierten Mikrocontrollern eingesetzt werden, um die Genauigkeit des ESP zu erhöhen. Bis dahin, schätzt Bäcker, wird es noch etwa ein bis zwei Jahre dauern.

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